CN102744399B - 纳米铜粉团聚体的分散方法 - Google Patents

Abstract

纳米铜粉团聚体的分散方法，其步骤是：首先对物理法制备的纳米铜粉进行硝酸、硫酸腐蚀同时进行PVP表面包裹改性，将得到的铜粉用超声粉碎机分散于白油中，在分散时，在白油中添加一定量的丁二酸二异辛酯。采用该方法可以细化物理法制备的纳米铜粉的颗粒大小，同时进行包裹可以防止纳米铜的氧化及团聚，更易于分散于润滑油介质中。

Description

纳米铜粉团聚体的分散方法

技术领域

本专利属于纳米粉体分散技术领域，特别是涉及一种纳米铜粉团聚体在润滑油介质中的分散方法。

背景技术

纳米铜粉作为润滑油添加剂在改善发动机的润滑、降低摩擦磨损、提高发动机动力性能、减少污染和延长寿命等方面具有广阔的应用前景。要发挥纳米颗粒所具有的特殊性能，必须使制备的铜粉尽量为单颗粒纳米粉体，但由于金属纳米颗粒具有极高的活性，以及纳米微粒间各种吸附力的存在，纳米颗粒间极易形成团聚体，一般所讲的纳米金属粉末实际上是其团聚体。因此，解决金属纳米团聚体的分散问题是其推广应用的关键技术之一。

从目前的研究来看，提高纳米材料在润滑油中的分散稳定性的方法主要有以下几个方面：（1）超声分散；超声分散是将需要处理的纳米颗粒悬浮液直接置于超声场中，用适当的频率和功率的超声波加以处理，强度很高。超声波分散作用的机理与空化作用有关。空化作用可以在微粒局部产生高温高压，并且伴随巨大的冲击力和微射流，这些都有微粉碎作用，使团聚体破碎。（2）剪切乳化；主要是借助外界的剪切、冲击和拉伸等作用来破碎团聚体，从而实现颗粒在介质中的粉碎。（3）球磨：球磨是目前最常用的一种分散超细粉体的方法，利用研磨体高频振动产生的球对球的冲击来粉碎粉体粒子。但在研磨过程中，由于球与球，球与筒，球与料之间的撞击、研磨，使球磨筒和球本身被磨损，成为杂质。另外，用球磨的方法形成的超微粒的尺寸也有一定的限制。但以上三种方法均不能破碎纳米铜粉由金属键结合而产生的硬团聚。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米铜粉团聚体的分散方法。

本发明是一种纳米铜粉团聚体的分散方法，用硝酸腐蚀铜粉团聚体，其步骤为：

（1）将纳米铜粉团聚体、聚乙烯吡咯烷酮分别按固液比g/ml为1﹕50~1﹕10和1﹕250~1﹕1000加入到0.1mol/L~1mol/L的硝酸水溶液中，反应5~20分钟；

（2）用离心机离心分离出固体粉末1，将分离出的铜粉用去离子水洗涤，除去溶液中的硝酸根离子，然后添加到0.5mol/L~4.0mol/L的稀硫酸溶液中，反应5~20分钟，再次用去离子水洗涤，除去溶液中的硫酸根离子，并离心分离得到固体粉末；

（3）用无水乙醇洗涤固体粉末2，并且干燥，得到纳米铜粉；

（4）将纳米铜粉团聚体按固液比g/ml为1﹕1000~1﹕100加入到白油中，同时添加0.1~ 0.8ml的丁二酸二异辛酯，用超声粉碎机进行分散。

本发明的优点为硝酸、硫酸腐蚀不仅可以到达除杂的目的，而且细化了颗粒，随着腐蚀程度的增加，其效果呈先变好后变坏的趋势。腐蚀程度过低则不能达到细化纳米铜粉颗粒的目的，过高会使一部分粒径细小的纳米铜粉，完全被硝酸反应掉，从而达不到细化纳米铜粉颗粒的目的，当腐蚀程度为铜粉质量的2-30%时，效果最佳。本发明的方法简单，操作简便，易于掌握，效果明显，易于工业化生产。

附图说明

图1是纳米铜粉腐蚀包裹示意图，图2是物理法制备的纳米铜粉未处理的TEM图，图3是物理法制备的纳米铜粉腐蚀表面改性后的TEM图，图4是未处理铜粉的红外光谱图，图5是PVP及处理后的铜粉的红外光谱图，图6是未处理的纳米铜粉XRD图，图7是硝酸处理腐蚀20%包裹PVP后的铜粉XRD图，图8是硫酸处理后的铜粉XRD图，图9未处理纳米铜粉在白油中的稳定情况图，图10是改性后纳米铜粉在白油中的稳定情况图，图11是处理后第1天的铜粉在白油中的稳定情况图，图12是处理后第3天的铜粉在白油中的稳定情况图，图13是处理后第8天的铜粉在白油中的稳定情况图，图14是处理后第30天的铜粉在白油中的稳定情况图，图15是处理后第45天的铜粉在白油中的稳定情况图。  

具体实施方式

实施例1：

称取1g的物理法制备的纳米铜粉团聚体，根据铜与稀硝酸的反应方程式：

CuO+2HNO₃=Cu(NO₃)₂+H₂O

3HNO₃+8Cu=3Cu(NO₃)₂+2NO₂+4H₂O

H₂O+Cu+Cu(NO₃)₂=Cu₂O+2HNO₃

腐蚀掉50mg的纳米铜粉，计算出所用的浓硝酸的量为0.2ml，将浓硝酸稀释至10ml，称取40mgPVP。步骤如下：

先将40mg的PVP添加到稀硝酸溶液里，充分搅拌使其完全溶解，得到配置好的腐蚀改性溶液；

（1）将1g铜粉添加到配置好的溶液里，搅拌，使其反应完全；

（2）将液体及剩余的铜粉全部倒入离心试管中，离心10分钟，倒掉上层液体，添加蒸馏水进一步离心洗涤，反复三次至上层液体呈无色。铜粉完全沉淀于离心管底部，倒掉上层液体；

（3）将试管中的铜粉取出，放入质量分数5%的稀硫酸溶液中，反应10分钟，离心洗涤，发生如下化学反应Cu₂O+H₂SO₄＝Cu+CuSO₄+H₂O；

（4）将离心后的铜粉，进行烘干，得到腐蚀后的纳米铜粉；

（5）分散得到纳米铜粉，具体方法：

为了保证新得到的纳米铜粉能以单颗粒的形式分散在白油中，采用超声粉碎机进行分散，超声间隔2s，超声时间40min,铜粉在白油中的浓度为1.2mg/ml。为使其分散时间更长，在超声时向白油中添加丁二酸二异辛酯，与白油的体积比为1：50。分散30天后完全沉淀。

实施例2：

称取1g的物理法制备的纳米铜粉团聚体，按照实施实例1所示的步骤，腐蚀掉100mg的纳米铜粉，计算出所用的浓硝酸的量为0.28ml，将浓硝酸稀释至10ml，称取40mgPVP。按照实施实例1所述的步骤制备和分散纳米铜粉。分散30天后完全沉淀。

实施例3：

称取1g的物理法制备的纳米铜粉团聚体，按照实施实例1所示的步骤，腐蚀掉200mg的纳米铜粉计算出所用的浓硝酸的量为0.57ml，将浓硝酸稀释至10ml，称取40mgPVP。按照实施实例1所述的步骤制备和分散纳米铜粉。

由图7可以看出，纳米铜粉在硝酸腐蚀后，成分中出现大量Cu₂O，硫酸再次腐蚀偶成分中Cu₂O明显减少。

由图5可以看出纳米铜粉在腐蚀改性后，铜粉表面的峰值与改性剂PVP的特征峰基本一致，这说明改性后的铜粉具有了PVP的官能团，与图4对比可以看出，没有改性的铜粉不含有PVP的峰值，这说明PVP与铜粉发生了键合反应，实现了对纳米铜粉的包裹改性。

图9~图15记录了处理后铜粉在白油中的稳定情况，可以看出，在超声后铜粉均匀分散在白油中，三天后，上层已经有透明的白油出现，说明部分大颗粒铜粉已经沉淀，八天后，透明部分略有增加，一个月后，透明部分已经达到整体的一半，一个半月后，透明部分相比一个月时略有增多。

实施例4：

称取1g的物理法制备的纳米铜粉团聚体，按照实施实例1所示的步骤，腐蚀掉400mg的纳米铜粉计算出所用的浓硝酸的量为1.14ml，将浓硝酸稀释至10ml，称取40mgPVP。按照实施实例1所述的步骤制备和分散纳米铜粉。分散30天后完全沉淀

对比实例1

对未处理的纳米铜粉进行分散，具体步骤如下：

（1）取12mg纳米铜粉，添加到试管中；

（2）取10ml白油添加到有纳米铜粉的试管中；

（3）置于超声粉碎机下超声，超声20分钟后，添加丁二酸二异辛酯，再超声20分钟。

为了保证纳米铜粉能被超声波充分作用到，在超声过程中，可以隔一段时间进行搅拌，摇晃。这是由于白油的粘度比较大，超声分散机在白油中的作用范围小，搅拌，摇晃可以使一些大颗粒漂浮起来，超声波更容易作用到纳米铜粉。从图2可以看出，未腐蚀改性的铜粉中存在一些较大的团聚体颗粒。这些大颗粒的边缘明显连接在一起，而改性过的铜粉（图3）可以清晰的看到铜粉颗粒的边缘，颗粒大小也有所减小。

如图9~图12所示，通过记录纳米铜粉在白油中的稳定情况可以看出，未处理过的铜粉在超声分散3天后，基本全部沉淀到试管底部。

实施例5：

    称取1g的纳米镍粉，根据镍与稀硝酸的反应方程式：

3HNO₃+8Ni=3Ni(NO₃)₂+2NO₂+4H₂O；

腐蚀200mg的纳米镍粉，计算出所用的浓硝酸的量为0.57ml，将浓硝酸稀释成10ml的稀硝酸，称取40mgPVP。步骤如下：

先将40mg的PVP添加到稀硝酸溶液里，充分搅拌使其完全溶解，得到配置好的腐蚀改性溶液；

（1）将1g镍粉添加到配置好的溶液里，搅拌，使其反应完全；

（2）将液体及剩余的镍粉全部倒入离心试管中，离心10分钟，倒掉上层液体，添加蒸馏水进一步离心洗涤，反复三次至上层液体呈无色。镍粉完全沉淀于离心管底部，倒掉上层液体；

（3）将试管中的镍粉取出，进行烘干，得到新的纳米镍粉；

（4）分散，方法如下：

为了保证纳米镍粉能以单颗粒的形态分散在白油中，在分散时采用超声粉碎机进行超声分散，超声时间为40min，间隔2s，粉体的浓度为1.2mg/ml。为使其分散时间更长，在超声时向白油中添加丁二酸二异辛酯，与白油的体积比为1：50。 

Claims (4)

1.纳米铜粉团聚体的分散方法，用硝酸腐蚀铜粉团聚体，其步骤为：

（1）将纳米铜粉团聚体、聚乙烯吡咯烷酮分别按固液比g/ml为1﹕50~1﹕10和1﹕250~1﹕1000加入到0.1mol/L~1mol/L的硝酸水溶液中，反应5~20分钟；

（2）用离心机离心分离出固体粉末1，将分离出的铜粉用去离子水洗涤，除去溶液中的硝酸根离子，然后添加到0.5mol/L~4.0mol/L的稀硫酸溶液中，反应5~20分钟，再次用去离子水洗涤，除去溶液中的硫酸根离子，并离心分离得到固体粉末；

（3）用无水乙醇洗涤固体粉末2，并且干燥，得到纳米铜粉；

（4）将纳米铜粉团聚体按固液比g/ml为1﹕1000~1﹕100加入到白油中，同时添加0.1~ 0.8ml的丁二酸二异辛酯，用超声粉碎机进行分散。

2.根据权利要求1所述的纳米铜粉团聚体的分散方法，其特征在于所使用的纳米铜粉为物理法制备的纳米铜粉团聚体。

3.根据权利要求1所述的纳米铜粉团聚体的分散方法，其特征在于该分散方法适用于其他方法制备的纳米铜粉团聚体。

4.根据权利要求1所述的纳米铜粉团聚体的分散方法，其特征在于该分散方法适用于纳米镍粉，或者纳米铁粉团聚体的分散。